農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)設(shè)計與試驗

華宇辰，管會彬，華明建，梁 川

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院， 成都 610044)

0 引言

目前，關(guān)于兼具雨水儲存、凈化及應(yīng)用等多種功能的自動化約束回收裝置的相關(guān)研究數(shù)量不多，現(xiàn)有的研究成果欠缺，再加上雨水自動收集與凈化處理的工藝較為復(fù)雜化且效率較低，導(dǎo)致經(jīng)濟成本上漲。鑒于此，以滿足農(nóng)田的雨水自動化灌溉為目的，設(shè)計了自動化雨水回收裝置。自動化雨水回收裝置不僅可以完成農(nóng)田大面積灌溉與凈化任務(wù)，而且實現(xiàn)了較低的能耗控制，提升了雨水凈化的效果與利用率。該裝置具有較長的使用周期及便于維護的管控方式，且經(jīng)濟成本較低，同時在自然環(huán)境中污染物處理方面也表現(xiàn)出良好的效果，具有重要的實踐意義和價值。

1 總體設(shè)計方案

現(xiàn)對該設(shè)計系統(tǒng)不同功能部分的特點與作用加以總結(jié)和闡釋：

1)初始的棄流設(shè)備中的壓力傳感器-PLC電路屬于核心部分，依靠對擋板開關(guān)的合理調(diào)節(jié)，完成棄流環(huán)節(jié)的管控。棄流量與PLC電路相應(yīng)的敏感程度和棄流容器的大小緊密相關(guān)。

2)初始的棄流設(shè)備與中后期的雨水凈化設(shè)備利用兩邊不等高的相應(yīng)U形管實現(xiàn)連接處理：一方面依靠U形管兩邊的壓力差供應(yīng)一定的動力，讓水可以流入至凈化設(shè)備中，避免了回流情況的發(fā)生；另一方面，具有良好的緩沖效果，避免處于中后階段雨水流入至凈化設(shè)備速度太快而導(dǎo)致凈化效率降低。

3)該設(shè)計在中后期階段雨水凈化設(shè)備中運用了石英砂-陶瓷膜過濾系統(tǒng)。相關(guān)材料能耗與經(jīng)濟成本均較低，且環(huán)保作用明顯，便于維護管理。在凈化設(shè)備上設(shè)置能夠活動的蓋板，有利于凈化材料的替換。從量化評定結(jié)果可知，該系統(tǒng)消除污染物的成效十分明顯，使其應(yīng)用范圍得以擴大。

4)對于中后期階段的雨水凈化處理而言，需要實施暫時性的水箱存儲處理，利用PLC電路對水灌溉的周期加以科學(xué)設(shè)定，確保凈化處理之后的水能在需求情況下借助對PLC電路水泵的管控方式，發(fā)揮出灌溉設(shè)備作用。

5)基于達到節(jié)能要求，該項目依靠滲灌形式，合理使用凈化之后的水源，達到對水資源使用量的降低，并利用過濾處理形式將其中的大部分污染物加以消除。

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計計算

2.1 電器控制部分的設(shè)計

2.1.1 安全報警設(shè)備的設(shè)計

安全警報設(shè)備的設(shè)計如圖1所示。在水壓壓力傳感器電路運行正常的情況下，處于相應(yīng)水位的電動閥便開始關(guān)閉，此時的棄流箱水位不會提高，對于距離傳感器輸出信號而言，尚未達到PLC電路的設(shè)定數(shù)值，無線傳感電路沒發(fā)揮出功能。一旦水壓壓力傳感器出現(xiàn)故障時，水位便不斷提高，距離傳感器所測定距離也會隨之降低，導(dǎo)致PLC電路開始運作，由無線傳送功能模塊將信息傳送出，相應(yīng)的接收端會收到信號，致使警燈發(fā)亮[1]。

圖1 以無線傳輸技術(shù)作為支撐的安全報警設(shè)備設(shè)計

2.1.2 PLC水壓壓力傳感器的電路設(shè)計

在科學(xué)完成PLC電路管控系統(tǒng)的編程處理后，保證其在接收到高于13μA的相應(yīng)電流信號情況下方可運行，對壓力傳感器的斷路情況加以避免，確保壓力傳感器的功能正常。圖2為系統(tǒng)對PLC水壓壓力傳感器的電路設(shè)計。

圖2 PLC水壓壓力傳感器的具體電路

1)運行原理。通過蓄電池為電路供應(yīng)24V的相應(yīng)電壓，確保其穩(wěn)定性。對于水壓的壓力傳感器裝置，其中的4個可變的電阻具體阻值一致。不存在壓力情況下，A、B兩點沒有電勢差，相應(yīng)的輸出電壓是0；存在壓力情況下，內(nèi)部4個電阻的阻值則產(chǎn)生改變，其中R1和R4的阻值下降，R2與R3的阻值提高，讓A、B兩點形成一定的電勢差，在壓力、電勢差上有所差異。依靠運算放大器與外圍電路的管控裝置，使系統(tǒng)輸出的電壓保證科學(xué)性[2]。

2)運放功能。進行A1與A2的運放時，處于一致方向的運算電路，有關(guān)特點也一致，旨在讓電壓擴大同樣的倍數(shù)，對溫漂予以降低，提升抗共模干擾水平。在增益情況下，放大器裝置的特點沒受到干擾。A3的運放針對的是差分比重提高的電路，使存在電勢差相應(yīng)的兩個輸入電壓實現(xiàn)放大，最終讓輸出電壓為0。A4的運放針對的為電壓跟隨器裝置，以發(fā)揮對零壓力改進的作用，利用對RP2的調(diào)控，使壓力為0的情況下輸出為0。處于電路當(dāng)中的電容則經(jīng)過充放電的處理，保證電路運行的穩(wěn)定性。

2.1.3 繼電器電路與電動閥電路的合理設(shè)計

關(guān)于固態(tài)繼電器的運作原理可以表述為：在繼電器獲得由水壓壓力傳感器設(shè)備形成的u0后，當(dāng)其達到一定大小時，銜鐵會受吸，使右邊的電路接通；依靠蓄電池中的電動閥功能，當(dāng)對其關(guān)閉后，會致使雨水無法流入到棄流箱裝置中，而是流入到集水箱內(nèi)。

以觸電數(shù)量的差異作為依據(jù)，主要存在兩開兩閉、三開三閉以及四開四閉等不同類型的電磁繼電器裝置。此系統(tǒng)構(gòu)造十分精簡明了，主要利用了兩開兩閉類型的直流固態(tài)繼電器裝置，繼電器主要規(guī)格為MY2N。

2.1.4 PLC技術(shù)下水泵電路

兩個水泵采用交流220V的蓄電池供電，利用PLC編程電路達到對電路運行情況的控制目的。對空氣的溫度使用溫度傳感器裝置予以測定，并把電流信號傳輸?shù)絇LC電路中，僅在電流的信號數(shù)值高于所設(shè)定的電流信號數(shù)值時水泵方開始運作。本設(shè)計所運用的蓄電池規(guī)格為6 733N。

2.1.5 太陽能電池板電路原理

太陽能電池板電路的運作原理可以表述為：利用太陽能對陽光加以收集，并轉(zhuǎn)變成電能，在蓄電池中予以存儲。需注意的是，太陽能電池板與蓄電池不可加以直接連線，應(yīng)增添光伏充電控制器裝置，旨在謹防電池板在某時段形成電量過高，使蓄電池受損，保證電壓穩(wěn)定[3]。依靠蓄電池引出兩條線實現(xiàn)電路的連接處理，達到一起充供電效果。太陽能電池板電路原理圖如圖3所示。

圖3 太陽能電池板電路原理圖

2.2 機械部分的設(shè)計

農(nóng)田灌溉的自動化雨水回收系統(tǒng)擁有凈化、儲存及應(yīng)用等功能，具體的機械部分如圖4所示。

2.3 相關(guān)設(shè)計的計算

2.3.1 棄流容器規(guī)格的科學(xué)設(shè)計和計算

通常而言，降雨開始后5min之內(nèi)的雨水污染情況最嚴重，應(yīng)該科學(xué)予以處置，并進行以下計算，即

此公式根據(jù)成都市最新公布的暴雨強度計算公式，一年四季相同。

其中，P為設(shè)計的重現(xiàn)年限，假設(shè)P=3年；t為降雨的耗時，取t=3min。

Q=i·ψ·A·t

其中，Q為前3min的降雨量；i為暴雨的強度；ψ為平均的徑流系數(shù)，農(nóng)田綠地ψ=0.15；A為集雨的面積(m2)。

由于收集裝置設(shè)備的開口是圓形，相應(yīng)直徑是60cm，因此A=0.283m2，Q=2.76×10-4m3/次。

經(jīng)計算，得出棄流雨水的體積為276cm3，棄流箱底的面積為3cm×3cm=9cm2。當(dāng)棄流箱設(shè)備的水位為30.7cm時，電路開始運行。當(dāng)水位為30cm時，水壓強P=ρgh=3kPa情況下(上式中，g=9.8N/kg或者g=10N/kg,h單位為m ,ρ單位為kg/m，壓強P單位為Pa)，壓力傳感器的輸出電壓為1.5V。

所以，基于確保輸出電壓是1.5V的目的，棄流容器設(shè)備的高度應(yīng)超過30cm。為此，棄流容器裝置的高度取40cm，而底面的半徑則為3cm。

1.漏斗外觀的雨水收集器裝置 2.電箱 3.濕度傳感器裝置 4.U形管 5.距離傳感器裝置 6.電動閥設(shè)備 7.石英砂的雨水處理箱裝置 8.多孔隔板 9.鉸鏈 10.陶瓷膜雨水的處理箱裝置 11.陶瓷膜 12.集水箱設(shè)備 13.水泵 14.塑料的滲灌主管 15.塑料的滲灌支管 16.水壓壓力傳感器裝置 17.時間傳感器裝置圖4 農(nóng)田灌溉的自動化雨水回收系統(tǒng)分解圖

View of Farmland Irrigation

2.3.2 壓力傳感器電路相關(guān)參數(shù)的計算

當(dāng)繼電器處于12V電壓下時，符合相關(guān)的閉合條件，此時4個運放應(yīng)把傳感器的輸出電壓增加到12÷1.5=8倍左右。對于該電路，相應(yīng)的電壓關(guān)系為

U3=U1(R5+RP1)/RP1U4=u2(R6+RP1)/RP1U0=(u3-u4)R10/R8

設(shè)RP1的阻值最大為10kΩ，R5、R6的阻值均為50kΩ，R7、R8、R9及R10的阻值均為100kΩ，由此獲得8倍的電壓放大成效。

從理論角度而言，不存在壓力情況下的輸出應(yīng)為0；但在實際運行過程中，由于遭受溫漂與零漂方面的干擾，導(dǎo)致4個橋臂的電阻相應(yīng)阻值產(chǎn)生改變，輸出并不是0。因此，添加A4運放實現(xiàn)調(diào)零處理，可以保證系統(tǒng)測定的科學(xué)性。

2.3.3濕敏電阻特性曲線相對PLC電路電流方面的計算

本裝置選擇濕敏電阻進行大氣內(nèi)濕度的測定，同時當(dāng)成有效的信號，并傳遞到PLC的管控電路當(dāng)中。在此類濕度計相應(yīng)的測定元件上具有較薄的涂層，可以吸收來自周邊的氣體當(dāng)中的水蒸汽，達到導(dǎo)電的效果。當(dāng)周邊氣體的相對濕度逐漸提升時，相應(yīng)濕敏電阻的吸水率也增大，兩電極之間的電阻數(shù)值也減小。依靠電極相應(yīng)的電流數(shù)值，能夠體現(xiàn)出周邊氣體相應(yīng)的濕度情況。具體的特征參數(shù)情況如圖5所示。

圖5 濕敏電阻相關(guān)的特性參數(shù)

由圖5可以看出：此裝置設(shè)備的濕敏電阻一直運行于交流1.5V的電路當(dāng)中。由相應(yīng)的電阻特征參數(shù)得知，其相對濕度為50%的情況下，有關(guān)電阻值為115kΩ，電流A=13μA。依靠PLC電路管控系統(tǒng)實現(xiàn)編程處理，當(dāng)接入超過13μA相應(yīng)的電流信號時進行運作。由此對壓力傳感器設(shè)備的斷路情況加以消除，保證其正常功能的發(fā)揮。

2.3.4 關(guān)于水泵的輸出壓力和滲灌管孔徑相關(guān)計算

當(dāng)運作的壓力低于0.05MPa時，應(yīng)該保證孔徑處于0.1～0.15mm范圍內(nèi)。鑒于采用機械打孔處理過程中表現(xiàn)出精度較低的情況，相應(yīng)的孔徑最小數(shù)值為0.6mm。因此，通過運用激光打孔的方式，使得孔徑的區(qū)間處于0.1～0.15mm范圍內(nèi)，其中大部分是0.12mm，相應(yīng)的孔密度是8孔/cm2。

3 機具的實際效果及創(chuàng)新點

3.1 機具的實驗驗證結(jié)果

由于季度收集的雨量會遭受天氣、下墊面及降雨量等方面因素影響，下墊面針對的是雨水收集項目與建筑物的布設(shè)、構(gòu)造。大部分區(qū)域季度收集雨量依據(jù)下述公式進行計算，即

Q=ψαβA(H×10-3)

其中，Q為季度收集的雨量(m3);Ψ為平均徑流系數(shù)，園林綠地取ψ=0.15；α為是季節(jié)的折減系數(shù)，成都地區(qū)α=0.89；β為初期的棄流系數(shù)=1-初期的雨量×年平均的降雨次數(shù)/年平均的降雨量,成都地區(qū)β=0.66；A為集雨的面積(m2)；H為平均的月降雨量(mm)。

成都地區(qū)多年月平均降雨量如圖6所示。

收集設(shè)備的開口是圓形的，直徑為60cm,因此A=π×120×120/4=1.132m2。由公式Q=ψαβA(H×10-3)可知：設(shè)定某高速公路為2 000km,此設(shè)備的滲透管長為2m，則需要大概1 000個相應(yīng)的集雨裝置設(shè)備。

集水總量為:

春季Q=0.15×0.89×0.67×1.132×(0.02+0.047+

0.082)×1000=15.1L

夏季Q=0.15×0.89×0.67×1.132×(0.11+0.223+

0.227)×1000=56.72L

秋季Q=0.15×0.89×0.67×0.283×(0.115+0.04+

0.016)×1000=17.32L

冬季Q=0.15×0.89×0.67×0.283×(0.006+0.007+

0.011)×1000=2.43L

通常而言，降雨開始后的前5min內(nèi)，相應(yīng)的雨水污染情況最嚴重，應(yīng)及時加以治理。采用以下公式，即

其中，P為設(shè)計的重現(xiàn)期(設(shè)定3年)；t為降雨的耗時(設(shè)定3min)。

Q=i·ψ·A·t

其中，Q為開始3min內(nèi)初期的降雨量；i為暴雨的強度；Ψ為平均的徑流系數(shù)，園林綠地取Ψ=0.15；A為集雨的面積(m2);收集設(shè)備的開口是圓形，直徑為60cm。因此，A=π×60×60/4=0.283m2,Q=2.76×10-4m3/次。

有關(guān)雨水污染物的治理與測定如表1、表2所示。

圖6 成都地區(qū)多年月平均降雨量

有關(guān)項目分析測定方法標準濃度成都雨水濃度ph玻璃電極法6-87.6pb火焰原子吸收光度法0.1kg/L6.47氨氮納試分光光度法≤20mg/L1.71Bod5有機物5日培養(yǎng)法≤20mg/L64.55ss重量法≤240mg/L388.66石油類紅外分光光度法20.02大腸菌群顯微鏡檢查≤2個/L沒測定出來

表2 雨水污染物分析結(jié)果

由此可得出結(jié)論：對于成都地區(qū)的雨水而言，只有鉛、bod5及ss等出現(xiàn)超標情況，通過科學(xué)處理以后能夠被應(yīng)用到農(nóng)田灌溉當(dāng)中。

3.2 機具的實際效果

經(jīng)過前文對此次農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)的分析及相關(guān)計算可知，本次所研究的農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)應(yīng)用在了我國的成都地區(qū)，并且取得了一系列良好的實際效果。

1)利用此次設(shè)計的農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)，可以減少鉛排放量1 891 526g，使945 763人避免遭受到中毒。

2)減少了有機物的排放量高達18 845.21g，使水體富營養(yǎng)化得以減輕。

3)該農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)可以收集雨水量2.92×108t，讓5 840 000用戶能夠利用。

4)節(jié)約用電230kW·h，與50W燈泡運行46 000h相當(dāng)，節(jié)約用煤達到了100kg。

5)節(jié)省農(nóng)田灌溉用水2.32×109t，讓46 400 000用戶能夠利用。

3.3 創(chuàng)新點

3.3.1 減排性

該農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)具有一定針對性。四川省成都市地區(qū)的雨水情況相較于全國范圍內(nèi)污染物水平是較高的，該裝置擁有良好的去除成效。所以，此次設(shè)計的農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)有利于實現(xiàn)減排性的要求，在水資源的利用與雨水的收集方面具有很大的實際意義和價值，其重要性不容忽視。

3.3.2 多功能性

1)此次設(shè)計的農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)可以實現(xiàn)雨水的凈化、存儲及合理應(yīng)用等眾多功能，并且形成一體化控制的模式，在運用效果方面凸顯出良好的實際意義與價值。

2)該裝置系統(tǒng)能夠達到對雨水有效凈化的效果，并采用自動化管控的模式，達到了分批凈化處理的目的，并且產(chǎn)生良好的凈化質(zhì)量與成效。

3)此次設(shè)計的農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)主要運用過濾的形式，并依靠有關(guān)凈化材料，實現(xiàn)高效的大分子與顆粒物污染物的去除處理，從而使得后續(xù)的雨水得以收集和利用，使農(nóng)田灌溉變得更加高效與順利。

3.3.3 可替換性

1)設(shè)計的農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)中的不同功能模塊，依靠合理的設(shè)計與連接處理，在對水物理與力學(xué)方面性能因素考慮的基礎(chǔ)上，盡可能避免雨水凈化與運用成效方面的相關(guān)不利因素的影響，如系統(tǒng)中的U形管與斜管部分的科學(xué)設(shè)計。

2)該農(nóng)田灌溉自動化雨水回收裝置系統(tǒng)中凈化設(shè)備的上端設(shè)置了能夠隨意轉(zhuǎn)動的蓋板設(shè)備，并確保相應(yīng)的凈化材料具有可替換性。

4 結(jié)論

通過闡述課題的研究背景和意義，明確了研究的目的與總體的設(shè)計方案，從電器控制部分、機械部分兩個方面分析了設(shè)計的方案及相關(guān)計算結(jié)果，即太陽能功率選用計算、棄流容器規(guī)格的科學(xué)設(shè)計和計算、壓力傳感器電路相關(guān)參數(shù)計算、濕敏電阻特性曲線相對PLC電路電流方面的計算、選用石英砂與陶瓷膜等凈化材料原因分析、關(guān)于水泵的輸出壓力和滲灌管孔徑相關(guān)計算，以及采用無線傳輸技術(shù)的報警設(shè)備方面的計算說明。望此次研究的結(jié)果能夠使有關(guān)設(shè)計人員加以重視，并從中得到相應(yīng)的借鑒，從而推進我國在自動化雨水回收裝置方面的研究與應(yīng)用進程。